Почему высокотехнологичным производствам стоит автоматизировать дозирование жидких материалов

Разработка, проектирование, совершенствование и изготовление высокотехнологичных продуктов для медицинской техники, электроники, автокомпонентов и иных передовых отраслей промышленности — это всегда вызов, порой соизмеримый с современными вызовами точных наук. Вследствие этого жидкости, применяемые в таких особо ответственных производственных процессах, необходимо дозировать максимально эффективно, основываясь на научных подходах и принципах. В особенности если принимать во внимание постоянно уменьшающиеся размеры, сокращение расстояний между компонентами и использование все более экзотичных материалов для создания поверхностей — хрупких и очень чувствительных к любым загрязнениям. Для решения данных задач производители высокотехнологичных секторов все чаще обращаются к автоматизации, в том числе и процессов дозирования.

Жидкости, предназначенные для таких ответственных операций, как приклеивание, отливка жидких прокладок, смазка и герметизация, могут иметь и очень низкую, и очень высокую вязкость. Они могут представлять собой комбинацию из двух и более материалов, а вязкость способна меняться в течение определенного времени. Некоторые застывают под воздействием света. И все это нужно дозировать либо на единичный продукт, либо на мелкую партию, либо в поточных процессах. И желательно делать это быстро, качественно, вне зависимости от навыков оператора.

Несмотря на то, используются ли жидкости на этапе НИОКР или на этапе создания прототипа, в мелкосерийном или массовом производстве, наиболее точно, надежно и повторяемо их сможет наносить только автоматическая система дозирования. Она же поможет любому производителю сократить расходы на расходные материалы, время, трудовые и иные ресурсы.

Переход от ручного дозирования жидкостей к автоматическому более сложен, нежели автоматизация других процессов. Для начала необходимо точно определить, что именно следует автоматизировать, а для этого каждое производство должно провести полную ревизию всего технологического процесса. Это нужно для того, чтобы автоматизация данной части процесса помогла достичь следующих основных целей: более полное управление производственным процессом (а это большая эффективность и более высокое качество изделий) и большая надежность (а значит, бесперебойность производства и соблюдение самых строгих требований к безопасности).

Контактное или бесконтактное дозирование?

Обычно для самого общего описания дозирования технологических жидкостей используют два термина: контактное дозирование, при котором жидкость наносится через дозирующую насадку, и бесконтактное дозирование, при котором материал, как правило, наносится струйным методом. Для начала каждое предприятие должно определить, что именно необходимо ему исходя из вязкости и стабильности используемой жидкости и требований, обусловленных особенностями конкретного процесса.

В целом контактное дозирование позволяет сделать гораздо более миниатюрные капли, нежели бесконтактные системы, но дозирующая насадка должна быть помещена достаточно близко к поверхности нанесения — так, чтобы капля материала могла одновременно контактировать с поверхностью нанесения и с концом дозирующей насадки, как показано на рис. 1. В составе автоматизированных дозирующих систем этот метод требует больше времени, поскольку каждый раз необходимо опускать дозирующую насадку на определенную высоту над поверхностью нанесения и затем вновь поднимать до того, как переместить насадку к следующей точке нанесения.

Рис. 1. Контактный метод дозирования требует максимально близкого расположения насадки над изделием

В противоположность этому бесконтактное дозирование позволяет существенно ускорить процесс, поскольку не требуется опускать и поднимать насадку по оси Z. В результате мы получаем гораздо более высокую скорость срабатывания струйного клапана (обычно пьезоэлектрического) и более высокую скорость, чем при использовании дозирующей насадки, что сокращает время операции. Пример бесконтактного струйного нанесения жидкости приведен на рис. 2. В составе автоматических дозирующих систем некоторые клапаны способны дозировать жидкости объемом от 0,5 нл и диаметром от 200 мкм. Бесконтактные системы также могут дозировать как очень водянистые жидкости с вязкостью от 1 до 5 сП, так и очень густые материалы с вязкостью до 500 000 сП на скорости до 1 000 Гц.

Рис. 2. Система для бесконтактного дозирования имеет струйный клапан для дозирования жидкостей

Правильно подобранные системы с прецизионными автоматическими дозаторами могут с высокой точностью и повторяемостью наносить строго определенное количество материала в заданное программой место, включая труднодоступные зоны, неровные поверхности и края изделий.

Автоматическое дозирование: «железо» и софт

При ручных операциях аккуратность дозирования жидкости в высшей степени зависит от навыков специалиста. Напротив, автоматизированные системы дозирования можно запрограммировать на высокоточное, очень аккуратное и повторяемое нанесение капель, полосок, окружностей, дуг и сложных дуг. Такие системы, как правило, разрабатываются с учетом того, чтобы они могли хранить большое количество программ дозирования и извлекать их по мере необходимости. Чем более высокотехнологична система дозирования, тем аккуратнее и с меньшими допусками она будет выполнять даже самые сложные задачи дозирования.

Отдельные системы дозирования предназначены исключительно для высокоточного перемещения исполнительного органа в заданную точку. Другие же, более продвинутые, имеют дополнительно камеру, которая позволяет роботу увеличить изделие для лучшего позиционирования дозирующей головки, предоставляя возможность предварительного просмотра процесса на экране. Как видно на рис. 3, этот дополнительный функционал позволяет оператору увидеть на экране увеличенное изображение изделия. Использование даже самого примитивного машинного зрения устраняет необходимость догадываться о тех или иных параметрах в процессе работы, сокращая время программирования сложных задач.

Рис. 3. Система визуального контроля для оптимального программирования за счет предварительного просмотра схемы дозирования

Некоторые автоматизированные системы дозирования, оснащенные машинным зрением, способны подстраивать программу согласно текущему положению изделия, положению изделий относительно друг друга или учитывать допуски рабочего столика. Системы машинного зрения могут быть интегрированы с встроенным ПО системы дозирования и задавать отправную точку на изделии. Это позволяет автоматизированной системе смещать точки нанесения материала и пути дозирования в соответствии с изменением положения того или иного изделия. Во многих случаях данные системы также могут давать оптическое подтверждение физического наличия изделия в зоне нанесения. То есть дозирование материала будет происходить только когда изделие действительно находится на рабочей площадке. Более продвинутые системы машинного зрения часто имеют более совершенную камеру, более сложное программирование и энкодеры в конфигурациях с замкнутым контуром, что позволяет добиться высокоточных, аккуратных и повторяемых результатов в сложных производственных операциях.

Расположение изделия на рабочей поверхности, неравномерные поверхности, перепады по толщине и деформированные поверхности могут превысить допуски, одобренные для того или иного процесса дозирования, в особенности в тех системах, где значительную роль играет контакт между дозирующей насадкой и поверхностью нанесения, а сама система не может компенсировать подобные отклонения. В зависимости от сложности выпускаемого изделия контактное дозирование может повредить хрупкие поверхности. Чтобы управлять этими отклонениями, некоторые автоматизированные системы дозирования имеют встроенный бесконтактный лазерный датчик высоты (рис. 4).

Рис. 4. Система автоматического дозирования может иметь лазерный датчик высоты для компенсации перепадов по высоте на поверхности изделия

Хорошим примером использования лазерного датчика высоты для измерения перепадов высоты может служить процесс дозирования на/вокруг компонентов, плотно установленных на поверхности печатной платы. При встраивании лазерного датчика высоты в автоматическую систему дозирования система получает возможность определять расстояние между концом насадки или форсункой клапана и поверхностью нанесения.

Геометрия нанесения жидкости и аккуратность ее размещения на поверхности зачастую находятся в прямой зависимости от точности позиционирования и высоты расположения насадки относительно поверхности. Функционал лазерного датчика высоты позволяет оператору поддерживать заданные значения размера дозы и точности нанесения по всей длине даже самых длинных и неравномерных изделий. Кроме того, лазерный датчик высоты также гарантирует, что насадка не коснется поверхности, что позволит избежать загрязнений и предотвратить повреждение хрупких изделий.

Программное обеспечение может быть, пожалуй, самой критичной частью автоматизированной системы дозирования, поскольку именно оно управляет всей системой, создает полную интеграцию всех компонентов и подсистем, обеспечивает интерфейс между машиной и оператором, а также определяет, насколько просто или сложно будет управлять работой системы. Современное ПО, интуитивное и максимально простое в использовании, помогает полностью координировать процесс дозирования, дает практически безграничные возможности при программировании, а также может стать краеугольным камнем при создании систем с замкнутым контуром связи, позволяющим прямо в процессе работы отслеживать все нужные параметры и корректировать их при необходимости. Например, система с замкнутым контуром связи обеспечивает расположение дозирующей головки именно там, где она должна быть. После программирования и внесения всех параметров дозирования система может постоянно в ходе операции выполнять корректировку дозирования, в зависимости от изменения условий.

Выбор правильного робота

В настоящее время автоматические системы дозирования производятся с самыми разными конфигурациями и размерами рабочих столов. Это и отдельно стоящие станции дозирования, и настольные системы, и системы, встраиваемые в производственные линии. Правильность подбора размера системы и ее конфигурации определяется размером изделия, требуемой производительностью и общими характеристиками конкретного производственного процесса.

Те производства, которым требуется выбор — должна ли это быть отдельно стоящая или настольная система, — должны учитывать возможности расширения, наращивания производительности системы. Некоторые системы могут оснащаться не одной, а несколькими дозирующими головками и, имея несколько большую по размеру рабочую площадку, способны удвоить производительность после добавления минимального количества модулей. Кроме того, выбирая оптимальную систему дозирования, изготовители должны понимать требования своего технологического процесса, в особенности учитывая, что современные высокотехнологичные производства используют огромное число узкоспециализированных решений и материалов, выполненных по их индивидуальным заказам.

По мере уменьшения размеров высокотехнологичных устройств и изделий компании все чаще обращают внимание на роботизацию большинства технологических процессов. Роботизированные системы, созданные специально для прецизионного дозирования жидкостей, особо интересны и перспективны. Автоматизация систем дозирования влечет за собой сокращение времени технологического цикла, повышение производительности и качества конечного продукта в сравнении с традиционными ручными системами. Чтобы получить максимальный эффект от автоматизации процесса дозирования, каждое производство должно провести полный аудит всей технологии, требований к нанесению жидкостей, возможных проблем, необходимых ресурсов и среднесрочных целей задолго до того, как приступить к автоматизации тех или иных операций технологического процесса.